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結合聲子晶體反射體之板波振盪器研製

一般的表面波與板波的振盪器，使用壓電材料和交指叉電極(interdigital transducer)來激發彈性波，並且加上金屬柵欄(metal grating)反射器來形成一個共振腔，但金屬柵欄通常反射效果有限並且需占據相當大的面積。本文引入聲子晶體的特性來改進振盪器；在聲子晶體中，由於波傳之頻散曲線不連續，造成該不連續的頻段內聲波或彈性波無法傳遞，此現象稱為頻溝(acoustic band gap)。藉由頻溝的特性可以使用聲子晶體來設計更有效率的反射器。 本文以有限元素法(Finite Element method)來分析二維矽基聲子晶體平板之頻溝現象，並且藉由計算與模擬來探討波源與聲子晶體間距離不同所帶來的影響。並以微積電實驗來完成板波振盪器與聲子晶體結構；但由於矽基材並非壓電材料，本文以氧化鋅(ZnO)薄膜來做為壓電材料，藉由交指叉電極於氧化鋅表面以壓電效應激發板波。 由實驗的結果，針對波源與聲子晶體在不同相對距離的設計下進行量測與探討，實驗結果與計算的結果相符，驗證聲子晶體和板波振盪器在合適的設計下可以有效提升振盪的效果。

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局部共振模態於聲子晶體平板內之波傳行為研究

本論文以數值方法以及雷射超聲波實驗探討具週期性薄膜的聲子晶體平板之頻溝現象以及共振現象的波傳行為。本文使用有限元素法(finite element method, FEM)結合布拉格(Bloch)理論，建立週期性邊界條件來分析聲子晶體結構之頻散關係與特徵位移場。在數值模擬方面，為了解薄膜對於頻散關係的影響，比較頻散曲線中出現的薄膜共振模態時的頻率與同樣尺寸的束制邊界的圓形薄膜的共振頻率，藉由改變厚度來探討，並發現當薄膜厚度逐漸減少，具週期性薄膜的聲子晶體平板的頻散曲線可以視為束制邊界薄膜的共振頻率與未含薄膜的聲子晶體頻散曲線的疊加。另一方面，從特定模態中，觀察到形成相較於反對稱板波約五分之一到五十分之一波速的慢波速與其生成原因。 在實驗方面，本文使用脈衝雷射在基板上激發寬頻之超聲波，並且以氦氖雷射干涉儀來量取縱向位移，實驗結果顯示實驗與模擬結果相當一致，並在薄膜上發現對應於薄膜膜態的顯著共振，並且，引入小波轉換(wavelet transform, WT)來觀察頻溝內共振訊號的慢波速現象，量測結果與慢波模態的穩態相位點(stationary phase point)之波速吻合。 最後，透過本文的模擬和實驗研究可觀察知，藉由週期性薄膜聲子晶體平板顯著的出平面共振現象與慢波速的特性，預期可以做為聲波延遲(acoustic delay)裝置和用於聲波式感測器之延遲線(delay line)縮減，同時可因其高頻振盪的特性加速觸媒與反應物的結合來加速反應時效。

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結合 Au-ZnO 奈米柱之表面聲波式室溫一氧化碳感測器

近年來，隨著生活水準的提昇,環境空氣品質在工業以及住家環境中，對於人體健康的影響日益重要。一氧化碳是碳氫化合物燃燒不完全所產生的一種無色，無味以及無刺激性的有毒氣體，因為其不易察覺的特性使得因一氧化碳危害人體生命安全的事件層出不窮，此外，一氧化碳也會對燃料電池中作為電極的貴重金屬如白金造成毒化的現象。有鑑於此，對於一氧化碳氣體有高靈敏度，快速反應以及高穩定度的監測系統為現今一氧化碳感測科技發展的方向。 過去對於一氧化碳感測器的研究主要是利用半導體金屬氧化物來當作感測材料，並結合奈米結構的優點來進行量測。實驗的結果顯示這些感測器操作的溫度絕多數在80°C以上，需要加熱器，有著較大的能量消耗等缺點。由於表面聲波式之感測器對於表面的物理量變動相當靈敏，因此非常適合用來作為一氧化碳室溫下的感測平台。 在本論文中‭，首先製作一組中心頻率為145 MHz以128°YX-LiNbO3 當作基底的表面聲波振盪器‭，使用氧化鋅奈米柱與奈米金粒子之結合來作為一氧化碳感測的材料並以週期性之結構塗佈於表面聲波共振器表面‭。此外，使用雙振盪器之量測架構來降低環境擾動所造成的影響。由於氧化鋅奈米柱具有較大的表面積對體積比，較快的電子擴散速率以及奈米金粒子在室溫下對一氧化碳的觸媒特性，實驗結果顯示表面聲波式之一氧化碳感測器在室溫下有良好靈敏度，穩定度以及快速反應之感測性質，實為未來攜帶型一氧化碳監測系統一個很好的選擇。

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表面聲波式多液珠溫控處理器之研製

藉由表面聲波於液-固界面時，所轉換而成之滲漏表面波(Leaky Rayleigh Wave)與縱波，來造成聲射流的現象(acoustic streaming)。利用這種現象，將微液珠置於疏水之基材表面上，再配合斜交指叉電極(SFIT)所激發之表面波，當能量大於驅動液珠之臨界值時，便可讓液珠沿聲波傳遞方向移動。本文旨在利用兩對斜交指叉電極之驅動與偵測功能，整合自動控制系統及提升電極與疏水薄膜之效能，建立一完善之多通道微液珠控制器，再配合具有溫控功能之上蓋系統，研發出一具有溫度控制功能之多液珠處理器。 本論文以氧化鋅奈米柱與硬脂酸之使用，成功於液珠驅動平台之表面定義具有蓮花效應之疏水薄膜，並針對斜交指叉電極效能做有效之提升；同時利用比例-積分控制器，將微液珠準確控制於所指定之位置上；最後，結合具有加熱功能之上蓋系統，對液珠進行加熱，並且以溫度感測器對加熱器作溫度量測，達到溫控效果。利用此具有溫度控制功能之多液珠處理器，將可以發展生醫檢測等方面之實驗室單晶片

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分佈式布里淵光纖感測系統於自動定位與結果判讀之研究

光纖感測技術已經廣泛應用於橋樑以及公共建設的監測。傳統光纖感測器屬定點式量測，故必須鋪設大量光纖方能較有效掌握結構物整體狀況，但由於破壞區域無法預知，因此即使量測結果正常，仍無法確保結構之安全。分佈式光纖布里淵散射量測系統（BOCDA）具有高精度、分佈式感測之優點，因此本研究之目的在發展BOCDA感測之相關技術，包括自動定位技術以及量測結果的判讀方法。 首先，在光纖中熔接定位光纖，並進行布里淵增益掃描，再對布里淵增益圖進行訊號處理，由量測區域起迄點決定相關性頻率的範圍，即可達到自動定位量測。自動定位技術可減少人為誤差、加快系統量測的速度，並精準地定位出布里淵頻率對應於結構物的空間分佈。 在量測結果的判讀上，本研究首先藉由實驗建立加載及卸載情況下的布里淵頻率—應變曲線（校正曲線）。其次，本研究提出以布里淵增益密度圖來輔助布里淵頻率分佈圖之解讀，以判別應變發生之區域。最後，由於此系統具有分佈式量測與高解析度的優點，故提出使用應變積分的方式，來推算光纖的伸長量。 經由模型試驗，可以驗證自動定位量測的精準性。在校正曲線驗證實驗中，以應變規與系統量測值做比較，證實校正曲線之正確性。布里淵增益密度圖與光纖應變積分的方式，亦證實其在量測結果判讀上的可行性。

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室溫量測之被動式表面聲波無線氫氣感測器

在面臨能源危機的時代，使用清潔能源的汽車已逐漸成為日後發展的主流，其中氫氣即為備受矚目的替代能源之一，然而氫氣具有無色無味的特性，且濃度在介於4%到75%時會有自燃或是爆炸的危險性，因此氫氣偵測的工作亦開始受到重視。在氫氣儲存和運送的過程中，即時地監測氫氣濃度對於環境保護及人身安全都非常的重要，在此使用具有無線傳輸能力的氫氣感測器便可提供極佳的便利性，此外無須電池的被動式氫氣感測器，更可免除更換電池的困擾且降低系統成本。因此為了提高量測便利性及減少成本的考量，便開啟了被動表面聲波式無線氫氣感測器的研發。 本文中使用了中心頻率為433MHz的128°YX-LiNbO3做為表面聲波識別標籤之基板，再附加一個電阻式氫氣感測器，已成功整合成阻抗加載型的被動表面聲波式感測器。此量測系統的優點如下：無線傳輸，被動式架構，以及為質輕微小之元件。 首先，本論文藉由耦合模型理論而設計出表面聲波識別標籤之相關參數，並模擬得知其所對應之頻率響應，再由快速傅立葉轉換得到識別標籤的時間域訊號。接下來則製作一電阻式感測器，其中感測材料需具有高穩定度、重複使用性以及製程簡便等優點，因此選定氧化鋅奈米柱，而為了讓本架構可在常溫下使用，故於奈米柱之上鍍白金作為催化劑。之後，將電阻式感測器和表面聲波識別標籤接合，以組合出阻抗加載型的被動表面聲波式感測器。最後，即結合感測器及量測腔體以完成實驗架設。由實驗結果可知：本感測器對於氫氣具有極佳的靈敏度，且有重覆使用性。

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高精確度超音波流量計流量量測之模擬與實驗

精確的流量量測對於許多工業上的應用非常重要，以天然氣的交易而言，台灣目前每年的交易額約一千億，若流量計的器差平均為1.0%，且不修正這個器差，則每年交易的差額高達10億。因此，正確挑選及使用流量計，並定期執行流量計校正，對達到交易的公平性，實為重要的一大課題。 比較其他型式的流量計，超音波流量計擁有一些優點，例如：可自我診斷、無可動件、結構簡單、低維護成本。本論文的目的在於借著使用數值模擬及實驗，闡明流場效應對超音波流量計計量準確性的影響。超音波流量計被裝設於互處不同平面150 mm肘管及400 mm匯管的下游，流量計的平均速度借著應用適當的數值積分技巧來積分超音波流量計各軌的平均速度，並進而得到流量。數值積分技巧分別是適用於等間距的修正辛普森1/3規則，及適用於非等間距的高斯積分法及闕比闕弗的積分法。每軌超音波軌道的流體平均速度都已模擬及考慮到橫向流(cross flow)對平均速度的影響。 本論文成功的探討管流場對超音波流量計定性與定量的影響，流場因為90度彎頭、T型管、…等影響流場穩定的因素存在，若不裝整流器，所產生流場的不對稱性及渦漩，將會持續到43.5D以上。整流器可以迅速且有效的消除渦漩流，超音波流量計最好裝設於整流器下游至少10D以上。對於整流器裝設於肘管下游3.5D，計量的預測差值都小於0.36%。對於實驗，一具英斯托梅特(Instromet) Q sonic-3超音波流量計置放於肘管3.5D – 43.5D下游，不論有無整流器，對於每一種測試條件，器差都在0.0%~-0.8%之內，這器差與數值模擬，流量積分技巧採用辛普森1/3規則乘以修正係數法、高斯積分法及闕比闕弗的積分法，4軌以上之超音波流量計，位於整流器下游10D以上之預測差值，在相同的級數之內，隱含流場模擬的正確性，並提供更多管線設計的指引。

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單晶石英加速規自然頻率之有限元素法分析

本文主要以有限元素法數值模擬 (YXl)-88°單晶石英加速規的自然頻率，各別數值模擬單樑、音叉、雙音叉的共振頻率，並對中間樑長度、中間樑寬度、厚度、中間樑間隙寬度、質量塊大小、質量塊型形狀與中間樑截面形狀等參數的改變，以求對加速規自然頻率的影響，進而探討影響石英加速規自然頻率的重要參數，以求得最佳化的石英加速規尺寸設計。最後，導入電極質量及電場所造成的壓電效應來計算石英加速規的自然共振頻率。從本文研究中可以得到各項幾何參數變化量對頻率的影響大小、求得特殊頻率的尺寸規格以及當雙樑寬度不相同時，對頻率的影響程度差異。

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雙電極石英晶體微天平共振之提昇能量集中的三維數值模擬

隨著檢測要求的提升及製程技術的純熟，多通道石英晶體微天秤不僅成為可行的夢想，更是未來生物感測器的發展目標 在此論文裡，首先考慮了二維模型模擬。在此，我們利用了以往的研究中，已經證明的平台式設計來提升QCM的敏感度及準確性，然而在某些特定的設計尺寸下，其QCM的能量井效應會有大幅減少的現象，當此現象發生時會使得量測工作準確度下降。接著，在考慮了二維問題時的平面應力下,當展成三維模型時，我們將其展成三種不同的形式，並且討論各平台的高度對於能量井效應的變化，但由結果中仍然發現其掉落現象的發生。因此我們再引進了步階式的設計，並且希望能夠改進此現象。而本文的目標則是為了將QCM的設計最佳化，也因此在本文的最後會經由模擬結果，建議往後QCM適當的設計模型及相關的尺寸。

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高爐出鐵口處耐火磚在出鐵前後的熱傳與熱應力之數值分析

本文主要是先以CAD繪圖軟體建立三維高爐出鐵口處實體模型，再利用CAE有限元素分析軟體COMSOL Multiphysics進行模擬計算，來分析高爐出鐵口處碳磚經過出鐵前鐵水累積受熱穩定狀態後，在出鐵水階段出鐵口處碳磚不同時間點的暫態熱傳與熱應力數值解。 利用循序漸進的方式，一開始先模擬彈性力學中二維圓盤平面應變問題，將理論解與數值解作比較。並由此延伸作三維圓柱模型與三維多層圓柱模型討論。建立完整三維高爐出鐵口處實體模型，匯入分析軟體當中進行模擬，並討論熱應力分佈情形的成因。並針對未確定材料參數做靈敏度分析，再來使用其它的真實碳磚材料來替換原先材料性質，來討論不同的材料造成熱應力的差異性。此外，由於高爐爐襯厚度隨時間而慢慢減少，因此必須針對不同爐襯厚度來做同樣的熱傳與熱應力分析，以便研判裂縫的產生是在什麼時候。期望藉由此模型的模擬計算來評估真實高爐出鐵口處的受力情形，並做為以後高爐碳磚選用的參考與安全改進之建議。